MAGIKID — Magnétisme dans les alliages à base de fer: thermodynamique, cinétique et défauts

Ce projet est centré sur trois alliages primordiaux pour leurs applications comme matériaux à bonne tenue mécanique à haute température ou leurs fortes propriétés magnétiques: Fe-Cr, Fe-Mn et Fe-Co. Comme le magnétisme joue un rôle clé dans ces alliages, les simulations numériques sont nécessaires pour maîtriser au mieux les propriétés de ces matériaux. Cette stratégie demande une approche qui combine (i) des méthodes très précises pour déterminer les propriétés à l’échelle atomique avec (ii) des méthodes à plus grande échelle permettant d’optimiser les propriétés d’usage en balayant les compositions. Pour les premières méthodes, la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) a déjà été utilisée avec beaucoup de succès dans de nombreuses classes de matériaux. Cependant pour les alliages à base de fer, un point critique reste le rôle crucial des excitations et transitions magnétiques sur les propriétés thermodynamiques et cinétiques des alliages et de leurs défauts. Une modélisation précise et complète du magnétisme est donc nécessaire pour répondre aux défis du développement de ces nouveaux matériaux: la résistance aux dommages radiatifs liée à la décomposition de phase dans Fe-Cr, la fragilisation des joints de grains dans Fe-Mn cc, la haute résistance mécanique des aciers Fe-Mn cfc, la transition ordre-désordre et la stabilité relative des phases cc et cfc dans Fe-Co ne peuvent pas être comprises totalement sans prendre en compte les effets magnétiques. L’innovation spécifique de la recherche projetée est double : d’une part, pour la partie DFT, nous allons utiliser les importants progrès faits récemment dans le traitement du magnétisme dans le fer pur, et les étendre à des systèmes magnétiques multicomposants contenant des défauts ponctuels ou étendus, en allant au-delà de l’approximation colinéaire standard. D’autre part, nous allons développer des méthodes innovantes qui permettront de combler le gap entre (i) les calculs de structure électronique exacts et (ii) les simulations thermodynamiques et cinétiques à grande échelle, en incluant l’effet du magnétisme sur les défauts, la diffusion et l’évolution microstructurale. Pour ce dernier volet (ii), des modèles d’interactions de paires effectives sur réseau et de liaisons fortes seront développés à partir des résultats de DFT (incluant les configurations, excitations et transitions magnétiques). Cela donnera une description cohérente du rôle du magnétisme pour les différentes propriétés des alliages à base de Fe, à différentes échelles et aux différentes températures, et permettra d’optimiser par le calcul les paramètres clés qui contrôlent les propriétés recherchées (décomposition de phase dans Fe-Cr, mise en ordre dans Fe-Co, décohésion des grains dans Fe-Mn). Des recherches expérimentales de pointe (comme le dichroisme chiral des pertes d’énergie des électrons et la diffusion de radiotraceurs dans des joints de grains synthétisés de façon contrôlée) sont inclues dans le projet afin de valider la robustesse des prédictions théoriques. Les trois systèmes choisis présentent une large variété de comportements magnétiques. Les méthodes de calcul développées et appliquées dans ce projet seront transférables à la modélisation d’autres matériaux magnétiques. Les résultats de ces simulations permettront d’améliorer les bases de données de thermodynamique et de diffusion (e.g. DICTRA) qui sont utilisées en routine aujourd’hui par l’industrie en R&D, mais décrivent mal le magnétisme. Une compréhension plus profonde et plus systématique du rôle du magnétisme dans ces alliages à base de fer permettra de mieux prédire la relation entre composition et propriétés d’emploi, et ainsi contribuer à la mise au point plus efficace et plus précise de nouvelles nuances d’acier. Lorsqu’ils seront achevés, ces outils de simulation devrait augmenter l’efficacité de l'industrie sidérurgique, faire évoluer leurs stratégies et contribuer à leur compétitivité future.